CN103986249A - 交流整流子电动机和使用其的电动风机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种设置有整流子的交流整流子电动机，其目的在于减少成为整流恶化的原因的电枢反作用，提高整流性能同时也实现效率提高。该交流整流子电动机具有：定子（1），包括大致环状的磁轭部（11）、与该磁轭部的内侧相对地形成的一对磁极部（12）和卷绕安装于该磁极部的励磁线圈（14）；电枢（2），包括旋转自如地配置在上述磁极部之间的轴（6）、固定于该轴的电枢铁芯（21）、卷绕安装在形成于该电枢铁芯的外周的多个齿（23）上的电枢线圈（22）和与该电枢线圈连接的整流子（25）；和通过与上述整流子机械接触而电接触的一对电刷（7），在各磁极部，在中央部附近具有孔（15），并且至少在逆旋转方向（增磁部）的磁极部也设置有孔（17）。

Description

交流整流子电动机和使用其的电动风机

技术领域

本发明涉及交流整流子电动机，特别涉及电动吸尘器、电动工具用电动机等中使用的交流整流子电动机的定子结构。

背景技术

电动吸尘器和电动工具用的交流整流子电动机主要由环状的定子、配置在与该环状的内侧相对形成的磁极部之间的电枢构成。这种交流整流子电动机中，通常要求小型、轻量、高效率化、电刷的长寿命化。其中尤其在高磁通密度下使用的电动机中，尤其为了实现高效率化和电刷的长寿命化，期望减少电枢反作用。

电枢反作用是旋转的电枢产生的磁场对从定子的磁极部产生的磁场产生影响的现象，这对交流整流子电动机的高效率化和电刷的长寿命化产生坏影响。

作为用于减少该电枢反作用的技术，已提出在定子铁芯的磁极部中心设置单一的狭缝的结构（专利文献1、图1等）。另外，作为减少电枢反作用的其他方法，已提出将磁极部设为非对称的形状并且设置多个狭缝的结构（专利文献2、图1等）。

另一方面，作为在磁极部设置狭缝的其他原因，已提出为了实现定子的轻量化，利用电枢反作用，在电枢的旋转行进方向一侧（磁极的减磁侧）设置多个贯通孔的结构（专利文献3、图4等）。

专利文献1：日本特开2005-20931号公报

专利文献2：日本特开平6-6943号公报

专利文献3：日本特开2003-153471号公报

发明内容

交流整流子的扭矩，与来自定子的励磁磁通和来自电枢的电枢磁通之和乘以流经电枢线圈的电流和电枢线圈的绕数的值成比例。此处，在电枢反作用的影响下励磁磁通与电枢磁通之和每时每刻发生变化，因此扭矩也发生变动而脉动。专利文献1中，在磁极部的中心设置单一的狭缝来减少电枢反作用，在专利文献2中磁极部采用非对称的形状并且设置多个狭缝来减少电枢反作用，由此抑制扭矩的脉动。

但是，上述的现有技术虽能够减少电枢反作用，但是由于设置有狭缝而导致磁极部的磁饱和增大，用于得到所需扭矩的电流值增大。电流值的增加导致铜损的增加，无法实现高效率化。另外，电流的增加导致整流线圈的电抗电压的增加，在碳刷与整流子之间产生火花，无法实现电刷的长寿命化。

或者，为了减少磁极部的磁饱和而加宽磁极宽度时，励磁线圈的全长变长，铜损增加，无法实现高效率。

另一方面，在专利文献3中，为了轻量化而设置有贯通孔。但是，孔的位置是磁通密度低的旋转行进方向一侧（磁极的减磁侧），无法实现高效率化和电刷的长寿命化。

本发明的目的在于提供能够充分减少电枢反作用并且实现扭矩和整流性能的提高的交流整流子电动机。

上述课题能够通过如下的整流子电动机来解决，该整流子电动机的特征在于具备：定子，其包括大致环状的磁轭部、与该磁轭部的内侧相对地形成的一对磁极部和卷绕安装于该磁极部的励磁线圈；电枢，其包括旋转自如地配置在上述磁极部之间的轴、固定于该轴的电枢铁芯、卷绕安装在形成于该电枢铁芯的外周的多个齿上的电枢线圈和与该电枢线圈连接的整流子；和通过与上述整流子机械接触而电接触的一对电刷，在各磁极部，在中央部附近具有孔，并且至少在逆旋转方向（增磁部）的磁极部也设置有孔。而且，从上述轴的轴向观察时，上述一对电刷相对于上述一对磁极部在逆旋转方向上移动。

根据本发明，能够减少电枢反作用而增加主磁通的量，因此能够提供能够提高扭矩和整流性能的交流整流子电动机。

附图说明

图1是表示实施例1的电动吸尘器用电动风机的结构的截面图。

图2是实施例1的在磁极部配置有孔的定子和电枢的截面图。

图3是实施例1的在磁极部配置有孔的定子和电枢的1/2截面图。

图4A是比较例1的磁极部形状的电枢反作用磁通的磁通流动图。

图4B是比较例2的磁极部形状的电枢反作用磁通的磁通流动图。

图4C是比较例3的磁极部形状的电枢反作用磁通的磁通流动图。

图4D是实施例1的磁极部形状的电枢反作用磁通的磁通流动图。

图5是磁场分析模拟结果。

图6A是实施例2A的在磁极的孔部设置有开口部的定子和电枢的1/2截面图。

图6B是实施例2B的在磁极的孔部设置有开口部的定子和电枢的1/2截面图。

图6C是实施例2C的在磁极的孔部设置有开口部的定子和电枢的1/2截面图。

图7是实施例3的在磁极部配置有孔、在前端部配置有台阶部的定子和电枢的1/2截面图。

附图符号

1 定子

2 电枢

7 碳刷

11 磁轭部

12 磁极部

13 定子铁芯

14 励磁线圈

15 孔（中央部附近）

16 磁桥（中央部附近）

17 孔（逆旋转侧）

18 磁桥（逆旋转侧）

21 电枢铁芯

22 电枢线圈

23 齿

25 整流子

25a 整流子片

S1～S12 电枢槽

具体实施方式

利用图1～图7对本发明的实施例进行说明。其中，此处作为实施例对用于电动吸尘器的电动风机进行说明，但是该电动风机也可以用于其他的用途。

[实施例1]

图1是实施例1的电动吸尘器用的电动风机100的结构截面图。电动风机100包括电动机（交流整流子电动机）101和风机102。

电动机101包括：固定在外壳3的内侧的定子1、外壳3的轴承5a、尾架（end bracket）4的轴承5b、旋转自如地保持在两轴承之间的轴6、固定于轴6的电枢铁芯21和整流子25、卷绕安装在电枢铁芯21的电枢槽S中的电枢线圈22与整流子25连接而成的电枢2、通过与整流子25机械接触而电连接的碳刷7和保持碳刷7并且用于固定在外壳3的电刷保持器8。

另外，整流子25具有多个整流子片25a，各整流子片25a与电枢2内的电枢线圈22连接。碳刷7通过弹簧81被按压在整流子25上，与整流子25滑动接触。82是用于使碳刷7与外部电极连接的引线，其与设置于电刷保持器8的端子（未图示）连接。

另一方面，风机102包括：通过螺母30固定在轴6的一端的离心风扇31、使来自离心风扇31的空气流的速度回落而恢复压力的扩散器32、与扩散器32一体地成形的将空气流导向电动机101内的回流导向件33、覆盖离心风扇31和扩散器32的风扇罩34。

当使电动风机100运转时，电枢2进行旋转，与电枢2同轴固定的离心风扇31也进行旋转。当离心风扇31旋转时，空气从风扇罩34的空气吸引口35流入，并通过离心风扇31、扩散器32、回流导向件33流入电动机101内部。流入的空气一边对电动机101进行冷却一边排出。

图2表示定子1和电枢2的结构截面图。定子1包括：叠层有定子铁芯13的部件（定子铁芯叠层体），其中定子铁芯13包括大致环状的磁轭部11和与其内周侧相对地形成的一对磁极部12；和卷绕安装于磁极部12的励磁线圈14。另外，配置在相对的一对磁极部12之间的电枢2包括：具有多个T字型的齿23的电枢铁芯21和卷绕安装于由齿23形成的电枢槽S1～S12的电枢线圈22。其中，在本实施方式中，说明的是齿23的数量为12个的例子，但是齿23的数量不限于此。

另外，如图2所示，在各磁极部12的中央部附近形成孔15。分别在孔15的内周侧、中央部、外周侧残留有薄的磁极部12，将各个薄的部分的磁极部称为磁桥16a、16b、16c。所形成的磁桥的厚度设为在将励磁线圈14卷绕安装于定子铁芯13的叠层体的卷绕工序中和将定子1压入外壳3时磁桥16不发生变形的厚度。磁桥16的厚度比孔15的径向长度薄即可，此处作为一个例子，将磁桥16的厚度设为0.5mm。这是为了通过将磁桥16的厚度设得薄，使磁路宽度变窄，变得容易发生磁饱和，从而切断电枢反作用。

另外，在靠磁极部12的逆旋转一侧（增磁侧）形成孔17。孔17的内周侧的磁极部12的薄的部分称为磁桥18a，孔17之间的薄的部分称为磁桥18b、18c。磁桥18a的厚度比孔17的径向长度薄即可，磁桥18b、18c的厚度比孔17的周向长度薄即可，此处作为一个例子，令磁桥18a的厚度为0.75mm，磁桥18b和磁桥18c的厚度为0.5mm。这是为了通过将磁桥18的厚度设得薄，控制磁极部12的靠逆旋转一侧（增磁侧）的磁通的流动。

图3是图2的主要部分截面图。由电枢2的中心向上下左右伸出的轴中，令右侧的轴为0°，其他的轴向旋转方向依次定义为90°、180°。齿23的数量为12个，因此各槽间角（Pitch）为30°。这种情况下，优选孔15的外周侧的从旋转中心所成的角度为30°以下，优选孔15的内周侧的角度为作为槽间角的一半的15°以下。此处，孔15的从旋转中心所成的角度设定为外周侧为20°，内周侧为10°。

另外，在磁极部12的靠逆旋转一侧设置有孔17。孔17的位置优选形成在从90°轴在逆旋转方向偏离作为槽间角的30°左右的位置附近。此处形成在从基准轴偏离60°、63°、66°的位置。

另外，此处表示的是槽间角为30°，孔15的外周侧的角度为20°，内周侧的角度为10°，孔17的位置设为从基准轴偏离60°、63°、66°的位置的例子，但是只要满足下述条件1～3就能够得到同样的效果。

（条件1）孔15的外周侧的角度小于槽间角，孔15的内周侧的角度小于槽间角的一半。

（条件2）孔17位于与90°轴相比向逆旋转方向偏离槽间角的角度程度的位置。具体而言，在从90°轴在逆旋转方向上槽间角±槽开度的范围内设置孔17，例如，在图3中，在从90°轴在逆旋转方向30°±7°的23°～37°的位置设置孔17。

（条件3）从齿23观察具有如下结构，即伴随着旋转，在从[90°轴-槽间角的角度]到90°的范围（本实施例中为60～90°），磁桥的数量逐渐增加（例如，图3中，在90°轴-一齿程度的角度的位置，在齿23的延长线上仅存在磁桥16c，当齿23旋转时，磁桥16a、磁桥16b逐渐增加）。

图4是使电流流过电枢线圈22时的磁通的流动。图4A中没有孔15和孔17，它是将碳刷7置于几何学中心轴的比较例1的情形。这种情况下已知电枢反作用磁通仅通过磁极部12。电枢反作用磁通在磁极部12与励磁磁通（仅图示一部分）合成，因此进行旋转方向的磁极部12为减磁，逆旋转方向的磁极部12为增磁。在此条件下，碳刷7与整流子25之间产生电刷火花，电刷寿命缩短。

图4B是比较例2，在比较例1的条件下，使电刷位置在逆旋转方向移动（例如30°），利用主磁通控制电刷火花的产生（也可以移动整流子25与电枢线圈22的连接位置）。这种情况下，使碳刷7在逆旋转方向移动，因此电枢反作用磁通不会残留在磁极部12的周围，而是通过磁轭部11在励磁线圈14所产生的主磁通的相反方向流过磁通。如此处所示，当磁通在（向）主磁通的相反方向流动时，励磁磁通与电枢磁通之和减小，扭矩降低。另外，伴随着电枢的旋转，电枢磁通周期性地变化，因此发生扭矩脉动。亦即，根据图4B的结构，能够抑制火花的产生，但是会导致扭矩特性变差。

图4C是比较例3，表示在比较例2的条件下，设置有孔15时的电枢反作用所致的磁通的流动。如此处所示，薄的磁桥16发生磁饱和，由此电枢反作用磁通受抑制，但是残留有通过磁轭11的电枢反作用。

接着，对使用本实施例的结构的情况进行说明。图4D表示使碳刷7在逆旋转方向移动并且设置有孔15和孔17时的电枢反作用所致的磁通的流动。图4D表示的是从轴6的轴向观察时设置孔17的位置与碳刷7的弧的中央位置（即移动量）大致一致的例子，但是两者并不一定要一致，碳刷7与孔17同样地比90°轴更向逆旋转方向移动即可。如此处所示，薄的磁桥16发生磁饱和，由此抑制电枢反作用磁通。进一步通过薄的磁桥18发生磁饱和，电枢反作用磁通比比较例3更进一步受到抑制，通过磁轭11的电枢反作用磁通减少。

图5是经磁通分析模拟得到的定子1与电枢2的空隙部（以下称为间隙）的磁通密度分布。图4所示的模型是用商用电源（50Hz-100V）驱动时的结果。每30°的矩形波是因齿23的节距而产生的。一般而言，电枢反作用减少时，间隙的磁通密度分布的波形的最大值与最小值之差减少，实效值增加。而且，实效值增加时，扭矩特性提高，因此最大值与最小值之差越小，扭矩特性就会越提高。

图5（a）是比较例2的分析结果。比较例2中，在磁极部12没有孔15和孔17，并使碳刷7在逆旋转方向移动。磁通密度的实效值为0.548[T]，较低，最大值与最小值之差为2.04[T]，较大。

图5（b）是比较例3的分析结果。比较例3中，在磁极部12有孔15，使碳刷7在逆旋转方向移动。该分析结果的长处在于，与图5（a）相比，磁通密度的实效值为0.549[T]，较大，最大值与最小值之差为2.00[T]，较少。这是因为薄的磁桥16产生磁饱和，由此减轻电枢反作用而导致的。

接着，对利用本实施例的结构的情况进行说明。图5（c）是通过在磁极12形成孔15和孔17，设置磁桥16和磁桥18，进一步使碳刷7在逆旋转方向移动时的分析结果。该分析结果的长处在于，磁通密度的实效值为0.555[T]，最大，并且最大值与最小值之差为1.97[T]，最小。这是因为，即使薄的磁桥16发生磁饱和，也使残存的电枢反作用的磁路通过设置薄的磁桥18发生磁饱和进行切断，因此最能够减轻电枢反作用。如先前所说明的，最大值与最小值之差越小，扭矩特性越提高，因此可知，在图5（a）～图5（c）中，如图5（c）所示采用设置有狭缝15和电刷移动（位移）的结构时，扭矩特性最佳。

另外，也可以采用在孔15和孔17的内部填充非磁性体的结构。通过使用该结构，能够抑制上述的电枢反作用，并且提高定子铁芯13的机械强度。另外，不必在定子铁芯叠层体的所有定子铁芯13上设置孔15或孔17，也可以采用适当混合不具有孔15或孔17的定子铁芯13进行叠层的结构。通过使用该结构，能够应对提高制造时的压力的强度和应对电动机的振动的耐力。

[实施例2]

图6是表示实施例2的图。其中，对与实施例1同等的结构的说明进行省略。

如图6A所示，实施例2A中删去了图3所示的磁桥16a、16b，在设置于磁极部12的中央附近部的孔15的内周侧设置有开口部40。通过开口部40磁极部12的内周面从孔15连通。

同样，如图6B所示，实施例2B中删去了图3所示的磁桥16b、16c，在设置于磁极部12的中央附近部的孔15的外周侧设置有开口部40。通过开口部40磁极部12的外周面从孔15连通。

另外，如图6C所示，实施例2C中删去了图3所示的磁桥16a、16c，在设置于磁极部12的中央附近部的孔15的内外周侧设置有开口部40。通过开口部40磁极部12的内外周面从孔15连通。

实施例2A～2C的任意情况下，均通过减少磁桥16的数量，使磁阻增大，因此与实施例1相比能够更好地切断磁通，能够进一步抑制电枢反作用。同样，即使在孔17的内周侧或外周侧设置开口部40，也能够抑制电枢反作用。

[实施例3]

图7是表示实施例3的图。另外，对与实施例1同等的结构的说明进行省略。

如图7所示，在实施例3中，采用在磁极部12的前端部的与电枢2相对的面的前端设置有台阶部的结构。这是通过将磁极部12的前端设得薄，增加磁阻，使电枢磁通难以流经磁极部12，从而抑制电枢反作用。另外，磁极部12的前端饱和，由此具有至电机部的前端的极弧度α和至未饱和的磁极部的极弧度β，控制整流时的极弧度，实现电刷的长寿命化。进一步，通过扩大与电枢2相对的面的间隙长度，抑制伴随旋转出现的齿23的T字部的磁通密度的急剧变化。

Claims (7)

1.一种整流子电动机，具备：

定子，其包括定子铁芯叠层体和卷绕安装于该定子铁芯叠层体的所叠层的磁极部的励磁线圈，所述定子铁芯叠层体将包括大致环状的磁轭部和在该磁轭部的内侧相对地形成的一对磁极部的定子铁芯在轴向上叠层而成；

电枢，其包括旋转自如地配置在所述一对磁极部之间的轴、固定于该轴的电枢铁芯、卷绕在形成于该电枢铁芯的外周侧的多个齿上的电枢线圈和与该电枢线圈连接的整流子；和

通过与所述整流子机械接触而电接触的一对电刷，

所述整流子电动机的特征在于：

在所述磁极部，在中央部附近设置有第一孔，在较该第一孔靠逆旋转方向一侧设置有第二孔，

从所述轴的轴向观察时，所述一对电刷相对于所述一对磁极部在逆旋转方向上移动。

2.如权利要求1所述的整流子电动机，其特征在于：

在所述磁极部中，

在较所述第一孔靠旋转方向一侧未设置孔，

在从所述轴的轴向观察时，

厚度小于所述第一孔的径向长度的磁桥设置在所述第一孔的内周方向或外周方向，并且

厚度小于所述第二孔的周向长度的磁桥设置在所述第二孔的旋转方向或逆旋转方向。

3.如权利要求1或2所述的整流子电动机，其特征在于：

所述第一孔的内周侧或外周侧开口。

4.如权利要求1～3中任一项所述的整流子电动机，其特征在于：

所述第一孔或所述第二孔的内部具有非磁性的填充材料。

5.如权利要求1～3中任一项所述的整流子电动机，其特征在于：

所述定子铁芯叠层体包括不具有所述第一孔或所述第二孔的定子铁芯。

6.如权利要求1～5中任一项所述的整流子电动机，其特征在于：

在磁极部的磁极片部的电枢侧的前端部设置有台阶部。

7.一种电动风机，其特征在于，包括：

权利要求1～6中任一项所述的整流子电动机；和

由该整流子电动机驱动的风机。